內部輪廓超聲成像系統的設計

李勇峰，張艷花，楊錄

(中北大學信息與通信工程學院電子測試技術國家重點實驗室，山西太原030051)

內部輪廓成像大都采用攝像頭直觀成像，但在低能見度、高粉塵的環境中(如煤礦巷道)，這種直觀成像方法精度較低，穩定性較差。文中采用三通道時差法增益補償測距方法，實現了大量程、高精度的超聲波測距，并通過上位機軟件實現對內部輪廓的實時呈現。三通道時差法的應用很好解決了內部輪廓表面不平坦對成像精度的影響，在公路隧道成像、煤礦巷道探測、曲面仿形檢測等領域廣泛應用。

1 內輪廓成像系統的模型

內輪廓超聲波成像系統的模型如圖1所示，假定圖中圓柱體為待測物體內部輪廓，內輪廓超聲成像系統是由a、b、c 3 個超聲波傳感器組成的三通道探頭組在物體內部實施同一位置探頭組360°旋轉高速測距，利用電機每隔46 ms 向前推進10 mm，測得一組數據，數據及時傳輸到內輪廓數據處理系統進行數據處理，通過上位機軟件算法在成像顯示屏上進行實時圖像顯示，從而有效指導工程師的工程操作。

圖1 內輪廓成像系統的模型

內輪廓三通道時差法高精度超聲波測距系統由一個收發一體電路與兩個接收電路共同組成，測距輪廓直徑可達到10.4 m，設計測距精度不大于3 mm。時差法超聲波高精度測距模型如圖2、圖3所示，a、b、c 為超聲波傳感器，b 為收發一體超聲測距電路，a、c 為超聲測距回波接收電路，超聲波傳感器的發射接收角度為±55°，在d1≤d2時，能保證傳感器b先于a、c 接收到回波信號，進而由時間差Δt1、Δt2推算出傳感器b 到障礙物的距離。

(1)當障礙物與超聲傳感器所在平面垂直時見圖2。

圖2 障礙物與超聲傳感器所在平面垂直結構圖

由于a、c 對稱，此時t1= t3，從而Δt = t1－ t2，通過計算得傳感器b 到障礙物1 的距離為

式中:c 為超聲波在介質中的傳播速度。

(2)當障礙物與傳感器平面有一點夾角時，見圖3。

圖3 障礙物與傳感器平面有夾角結構圖

由圖知此時Δt1=t1－t2、Δt2=t4－t3，通過計算得傳感器b 與障礙物之間距離L 為

由此可見，內輪廓超聲波成像系統中三通道時差法超聲測距系統的設計能有效地解決被測物體內表面不平整對測距系統造成的測距誤差，提高了測距的準確性，為后續成像算法提供了實時準確的數據。

2 三通道時差法高精度超聲波測距儀的設計

時差法高精度超聲波測距儀電路具體設計見圖4。

圖4 電路設計流程圖

2.1 超聲波發射部分

超聲波發射電路由NE555 組成多諧振蕩器產生周期為46 ms、低電平為330 μs 的觸發波，在低電平期間觸發另一片NE555 產生40 kHz 的超聲波，再通過變壓器實現激勵信號的幅度放大并作用于超聲傳感器發射超聲信號。發射電路與單片機獨立，可以周期性地發射超聲波。

2.2 超聲波模擬接收部分

傳感器信號通過由無限增益帶通濾波構成的前置放大電路、巴特沃斯二階高通濾波器、距離增益補償電路(TGC)、巴特沃斯四階低通濾波器、雙向檢波、差動放大、AGC 自動增益補償電路以及遲滯比較器共同組成。

2.2.1 前置放大模塊

如圖5所示，前置低噪聲放大電路采用三極管放大電路和NE5532 構成的無限增益多路反饋有源帶通濾波電路。三極管放大電路能有效地緩解發射超聲波拖尾對回波信號的影響，無限增益多路反饋有源帶通濾波電路采用反相端輸入，失真較小，能有效地去除回波信號中發射波信號的干擾以及盲區對測距的影響。通過第一級中心頻率為40.2 kHz、帶寬為1.3 kHz、中心頻率處增益為1 690 以及第二級中心頻率為39.55 kHz、帶寬為2.26 kHz、中心頻率處增益為319 的帶通濾波，有效地去除拖尾并且對回波信號進行適當放大。

圖5 前置放大模塊

無限增益多路反饋有源帶通濾波器具體的各項參數計算公式如下:

中心頻率fm為:

fm處的增益:

品質因素:

帶寬:

由此看出無限增益多路反饋有源帶通濾波電路可以允許對Q、Am和fm進行獨立調節，而且帶寬和增益因子與R31、R32無關，因此R31、R32可以分別用來調節中心頻率而不影響帶寬B 和增益Am對于低Q 值情況，方便對中心頻率、帶寬、品質因素以及增益的調節。另外濾波器可以不用R31、R32而工作，此時Q可通過－Am=2Q2來計算。

無限增益多路反饋有源帶通濾波電路的輸出信號將經過二階巴特沃斯高通濾波電路，采用35 kHz 的截止頻率，濾除一些低頻噪聲，防止其進入距離增益補償電路。

2.2.2 距離補償電路設計

如圖6所示，距離增益補償電路是采用由美國AD 公司推出的寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度的壓控VGA 芯片AD603 以及低噪聲、輸出軌至軌的四運放TL974、四雙向模擬開關CD4066 共同組成，其中由TL974 和CD4066 產生幅值隨時間變化，斜率、偏置可調的積分曲線。積分曲線的輸出與AD603的GPOS 相連，GNEG 端設為參考電壓，電路增益范圍為40Vg+20 dB，其中Vg為GPOS 與GNEG 端的電壓差。CD4066 模擬開關構成的積分電路實現對增益曲線的控制，其控制管腳由NE555 產生周期為46 ms、低電平為330 μs 的觸發波通過三極管開關電路得到，從而使積分曲線在45.67 ms 的回波周期內得到積分曲線，在330 μs 的觸發超聲波周期內實現積分曲線的復位。從而在測距周期內，實現對回波信號的有效距離補償。

圖6 距離增益補償電路

由于目標物體距離越遠，回波信號幅值就越小，因此距離增益補償使得回波信號在測距周期內隨著目標距離增加、回波信號幅值減小而增益變大，這樣既能避免近距離回波信號的飽和失真，同時也克服了遠距離回波信號幅值偏低對信號差值提取的影響，從而使回波信號在整個時間周期內，幅值保持基本相同，為后續檢波整形以及數字邏輯電路部分能夠正常工作提供足夠強的信號。系統通過幅值隨測距周期目標物體距離變化所形成的積分曲線實現了增益隨時間、信號強弱的人為控制，繼而實現對回波信號的距離增益補償，可調性強，靈活性大，便于實際生產應用。

距離增益補償電路(TGC)增益曲線示意圖見圖7。

圖7 距離增益補償電路(TGC)增益曲線示意圖

2.2.3 雙向檢波模塊

由于發射電路發射脈沖的穩定性以及超聲一體化傳感器的功率穩定性，每次回波的檢波信號會有10 μs 左右的誤差，這對FPGA 計數器計數會產生很大的誤差影響，因此系統采用雙向檢波，使檢波后的包絡狀波形相互疊加，進而減小系統誤差對測試數據的影響， 雙向檢波后的信號通過增益為2 倍的差動放大器。

2.2.4 AGC 自動增益模塊

AGC 自動增益電路，也就是通俗講的振幅穩定振蕩器，通過輸出信號的幅值反作用輸入增益控制器，輸出幅值較小，增益自動變大;輸出幅值較高，增益自動減小，從而實現增益對檢波信號的自動幅值控制。圖8所示最大控制范圍為60 dB 的AGC 電路，由VCA810、運算放大器和幅值檢測二極管D4 構成，其中C13為保持電容，RB7、R21控制攻擊和釋放時間，電阻R18和電容C13控制增益階段反饋循環。每當VO2 輸出峰值超過虛擬峰值，運算放大器就會輸出擺動，正向偏置二極管和保持電容充電，電壓正向驅動電容，降低放大器的增益，從而實現自動增益的控制。RB7和C13決定了這個自動增益的攻擊和釋放時間。圖9 為輸入/輸出范圍與增益示意圖。

圖8 AGC 自動增益電路

圖9 輸入/輸出范圍與增益示意圖

2.2.5 超聲波接收電路數字部分

經過遲滯比較器后通道1、通道2、通道3 信號經過由74HC4538 構成的邊沿提取電路以及數字邏輯電路產生門信號GATE0、GATE1。時序邏輯如圖10所示。

圖10 時間差信號時序邏輯圖

GATE0、GATE1 信號通過FPGA，分別求出Δt1與Δt2，根據公式(1)、(2)求出L。

2.2.6 FPGA 與C8051F340 單片機的數據傳輸

考慮到計數器的精確度，系統采用FPGA 進行計數，計數時鐘采用50M 系統時鐘，計數完成后，由FPGA 通過I/O 口，實現FPGA 與C8051F340 的數據通信，把數據實時傳輸到單片機，并儲存到片外RAM 里，為后續上位機算法提供實時數據。

2.2.7 上位機成像算法的研究

在高粉塵、無視覺的被測物體內(如煤礦巷道)，通過內輪廓超聲波三通道時差法高精度超聲波測距系統在巷道內部每一位置進行360°旋轉，測得一組數據，然后通過電機推動，系統每前進10 mm停止46 ms 再測得一組數據，并把數據實時傳輸到上位機，由上位機軟件MATLAB 進行分析、計算成像并通過VC 設計用戶操作界面，使用戶可以在不同角度、不同方位對圖像整體以及不同角度的切面進行實時觀察。成像模擬示意圖如圖11所示。

圖11 系統成像模擬示意圖

3 系統軟件設計

系統軟件設計流程圖如圖12所示。

圖12 軟件設計流程圖

4 實驗分析

從實驗測試可以得出，系統測量精度達到了3 mm，誤差值為0.6%，測量范圍直徑達到10.4 m(d1=4 cm，d2=5 cm 時)。內部輪廓的成像精度取決于系統測距的精度，直接取決于三通道時間差值的提取以及傳感器所測距離點數的數量與次數，每個位置測距點數多、次數多可有效提高系統的成像精度。對于精度的進一步提高，有以下兩種辦法:(1)對傳感器工作的環境溫度進行實時精確測量，對系統測距精度進行校正;(2)優化控制系統，增加測距次數與點數，進而提高成像精度。

5 結論

內部輪廓三通道超聲成像系統主要依據高精度、大量程的三通道時差法測距儀，三通道時差法測距儀采用距離增益補償、自動增益補償等硬件電路的形式建立起三通道的時間差值進而反推出被測距離，從而實現高精度、大量程的內部輪廓測距與成像。可以看出:系統測距電路相對簡單，成本較低，便于攜帶，在公路隧道成像、煤礦巷道探測、曲面仿形檢測等領域具有廣泛應用。

【1】熊春山，彭剛，黃心漢，等.基于超聲測距的三維精確定位系統與設計［J］.自動化儀表，2001(3):7－10.

【2】胡躍輝，周康源，周平，等.一種實時3D 超聲定位系統的設計［J］.聲學技術，2004(1):29－32.